Absicherung einer Schaltung für ein Schulprojekt

[Cyr3x]

Hallo,

ich habe eine Frage bezüglich meines Schaltplans den ich für ein Schulprojekt erstellt habe.
In meinem Projekt geht es darum mit Hilfe eines Arduino (Mikrocontroller) ein Automatisiertes Gewächshaus zu bauen. Die Bestandteile sind eine Pumpe, Led, Lüfter und Batterie.

Die Werte der Teile:

- Lüfter 5V und 0,55W daher habe ich ausgerechnet das er
0,11A benötigt.
- Led 12V
- Batterie 12V und 12Ah
- Pumpe bin ich mir nicht sicher, laut Datenblatt welches
im Anhang ist bin ich der Meinung das sie 7,2V und
1,76A benötigt um optimal zu laufen.

Mein eigentliches Problem liegt darin das ich nicht genau weis ob meine Schaltung stimmt, da ich nicht weis wie viel Strom die Batterie bringt. Ich meine es so verstanden zu haben, das sie insgesamt meine Schaltung für 1h mit 12A versorgen könnte. Wenn ich jetzt beispielsweise meine Pumpe mit 1.76A anschließe, zieht das an der Batterie 12V und 1,76A solange bis sie leer geht richtig?

In meinen Rechnungen für die Widerstände habe ich also angenommen das der Gesamtstrom = 1,76A sind.

Wäre super wenn da mal jemand ein Auge drüber werfen könnte. Schaltplan und Datenblatt der Pumpe sind im Anhang.

-Max

[der mit den kurzen Armen]

Schaltung.GIF

mit Verlaub gesagt ist Deine Schaltung einfach nur Müll! Was sollen die Lasten im Emitterkreis? Und warum schaltest du zur Last einen R parallel?
Noch etwas wenn du die Last im Emmitterkreis hast benötigst du zur Ansteuerung der Transistoren auch eine höhere Spannung von µC , die kann er aber nicht liefern.

[Kleinspannung]

Was in dreiteufelsnamen sollen denn überhaupt die Widerlinge in der Kollektorleitung?
Willst du nun eine Gewächshaussteuerung haben,oder eine Heizung?
Warum nicht gleich 12V Pumpe und Lüfter?
Oder will euch euer Lehrer testen ob ihr selbst drauf kommt ,das überschüssige Energie in Widerständen zu verbraten so ziemlich das uneffektivste ist was man machen kann?

[BernhardS]

Ich muss mich im Namen des Forums mal kurz für die eine oder andere Formulierung entschuldigen.

Es ist natürlich vollkommen klar, daß Du in einer Schulaufgabe die Pumpe nicht einfach ändern kannst. Die überschüssige Spannung mit Hilfe von Widerständen zu verheizen ist nicht sehr elegant, geht aber. Betrachten wir das mal als Variante 1.

Die Batterie hat 12Ah. 12A für eine Stunde ist richtig. Werden 1,76A entnommen, dann ist sie in 6,81h leer.

Die Verbraucher unter den Emitter zu schalten ist in der Tat nicht zielführend. Das kann man mal mit einer LED machen. Der Grund: Die Spannung am Emitter wäre dann beispielsweise 7,2V. Damit der Transistor schaltet muss an der Basis etwa 0,7V mehr anliegen als am Emitter, also 7,9V. Das bringt der Arduino aber nicht.

Wie ist das mit den LEDs? Sind das Exemplare die für den Betrieb mit 12V vorgesehen sind? Dann sollten sie parallel geschaltet werden. Sind das normale LEDs? Dann schaltet man die in Reihe, addiert die Betriebsspannungen und errechnet dann den Vorwiderstand.
Magst Du die LEDs nicht auch vom Arduino schalten lassen?

[Cyr3x]

Erstmal danke für die ganzen Antworten und die Zeit die ihr euch genommen habt um sich um mein Problem zu kümmern. Leider kenne ich mich nicht so mit Elektronik aus sondern besitze nur Schulwissen (Reihen-/Parallelschaltungen, Elektrisches-/Magnetisches Feld) weshalb ich versucht habe mit diesem wissen an die Aufgabe heran zu gehen. Ich habe mich jetzt nochmal mit meinem Projekt Partner zusammen gesetzt und wir haben folgendes erarbeitet, sind uns aber nicht sicher ob es stimmt, wäre also super wenn das nochmal jemand anschauen würde und bestätigt.

PS: Habe die Antwort bzw. den Schaltplan von "der mit den kurzen Armen" erst gerade eben gesehen und dieser ist nahezu identisch von den Werten mit unserem, sollen wir diesen benutzen :D?

[der mit den kurzen Armen]

habt ihr die Werte für die Widerstände ausgewürfelt?

[BernhardS]

...dieser ist nahezu identisch von den Werten mit unserem, sollen wir diesen benutzen :D?

Wenn das ein Schulprojekt ist, dann gelten die Regeln für Schulaufgaben. Das heißt: man schreibt den Rechenweg komplett hin, so daß man nachvollziehen kann, daß der Schüler das selbst berechenen kann - und im Idelafall auch selbst berechnet hat.
Der Vorteil für den Schüler: sollte im Rechenweg ein kleiner Fehler sein, so wird nur dieser Fehler gezählt. Natürlich sind im weiteren Rechenweg die Zahlen auch nicht richtig, das ist aber dann ein Folgefehler und wird nicht gewertet.

Zur Praxis: Widerstände bekommt man nicht mit jedem beliebigen Wert. Diese haben eine herstellungsbedingte Toleranz. Daraus resultieren so genannte E-Reihen, bei denen die erhältlichen Werte entsprechend der Genauigkeit auseinander liegen. Es hat keinen Sinn Widerstände mit 1000 Ohm und mit 1050 Ohm, also mit etwa 5% Unterschied anzubieten, wenn die Teile mit +- 10% hergestellt werden.
Du wirst im praktischen Aufbau den errecheneten Wert also sowieso auf den nächsten erhältlichen Wert runden müssen.

[anders]

Was in dreiteufelsnamen sollen denn überhaupt die Widerlinge in der Kollektorleitung?

Bist du sehr katholisch, dass du so fluchst?

[Cyr3x]

Erneut danke für die Antworten. Die Werte habe ich dieses mal nicht selbst ausgerechnet sondern ein Kollege der das Projekt mit mir zusammen macht, weshalb ich die Rechnungen gerade nicht parat habe. Jedoch denke ich das die Rechnung von "der mit den kurzen Armen " wohl eher richtig sind. Falls das nicht der Fall ist kann ich gerne versuchen die Rechnungen meines Kollegen zu posten um dann evtl. Fehler zu finden.
Trotzdem bin ich mir jetzt immer noch nicht sicher ob man diese Schaltung überhaupt so verwenden kann ,abgesehen von den Widerstandswerten, oder ob das alles zu heiße werden würde etc..

[anders]

Ich meine es so verstanden zu haben, das sie insgesamt meine Schaltung für 1h mit 12A versorgen könnte.

Nur in der Theorie.
Die Kapazität von Akkus wird meist für eine 10-stündige Entladung angegeben. Das wären dann 1,2A.
Wenn man den Entladestrom sehr viel höher wählt, sinkt die entnehmbare Ladung.
Zum Teil ist das durch den Innenwiderstand der Batterie begründet, der einen Spannungsabfall bewirkt, wodurch die die Entladeschlußspannung früher erreicht wird.
Zum Teil liegt es an der Chemie der Zelle, wodurch die zur Stromlieferung miteinander reagierenden Stoffe nur verzögert zur Verfügung stehen.
Ausserdem solltest du daran denken, dass die 12Ah für eine neue Batterie gelten. Die Verschleissgrenze wird meist mit 80% der Nennkapazität definiert.

Wenn ich jetzt beispielsweise meine Pumpe mit 1.76A anschließe, zieht das an der Batterie 12V und 1,76A solange bis sie leer geht richtig?

Aber da ist ja noch der Arduino, der hoffentlich dafür sorgt, dass das Gewächshaus nicht geflutet wird.
In der Praxis wird die Pumpe also wohl nur gelegentlich und kurzzeitig eingeschaltet werden.
Auch der Lüfter wird wahrscheinlich nicht kontinuierlich laufen, sondern z.B. durch Temperatur und CO2 Sensoren gesteuert werden. Dadurch wird auch die Verdunstung reduziert, wodurch wiederum die Pumpe seltener laufen muss.

Unklar ist, was die LEDs sollen. Macht man das, damit die Pflanzen sich im Dunkeln nicht fürchten?

Ich könnte mir jedenfalls vorstellen, das die meiste Energie durch den Mikrocontroller verbraucht wird, weil der kontinuierlich läuft.

Und ja, dein Schaltplan ist bestenfalls künstlerisch wertvoll.
Was die Lasten verbrauchen, woissen wir ja nun ungefähr, jetzt solltest du noch verkünden welche elektrischen Eigenschaften die Steuersignale haben, die dein Controller zur Verfügung stellt.

[Cyr3x]

Ich versteh nicht ganz genau was mit elektrischen Eigenschaften der Steuersignale gemeint ist. Das Arduino bringt 5V.
Die Schaltung war so gemeint das wir das Arduino benutzen mit feuchtigkeitssensor etc. wenn die Erde dann zu trocken ist soll das Arduino 5V an den Transistor geben damit dieser dann wie ein Schalter öffnet und 7,2V an die Pumpe weiter gibt, was ja aber nicht so ganz funktioniert.
Die Leds sind einfach Zusatz, weil wir dachten Pumpe und LÜfter sind ewtas wenig und es würde besser aussehen .

[anders]

- Pumpe bin ich mir nicht sicher, laut Datenblatt welches
im Anhang ist bin ich der Meinung das sie 7,2V und
1,76A benötigt um optimal zu laufen.

Das ist nicht das Datenblatt der Pumpe, sondern es sind nur Daten von deren Antriebsmotor!
In den Datenblättern von Pumpen steht gewöhnlich etwas von Förderleistung und Druckdifferenz, also Angaben, die hier komplett fehlen.
Immerhin kann man sehen, dass der Motor für den Betrieb an 3..9V vorgesehen ist.
Durch direkten Anschluss an 12V könnte er beschädigt werden.

Die ungünstige Spannungslage dieser Verbraucher ist, ebenso wie bei dem Ventilator, ein größeres Problem.
Das Verwenden von Vorschaltwiderständen ist sehr ungünstig, denn dadurch wird viel der knappen Energie des Akkus sinnlos in diesen Widerständen verheizt.
Ausserdem ist die Spannungskonstanz dann sehr schlecht und lastabhängig.

Die tabellierten U- und I-Werte des Pumpenmotors helfen bei der Berechnung des Widerstandes wenig, weil du das benötigte Drehmoment der eigentlichen Kreiselpumpe nicht kennst.
Dadurch ist es reine Glücksache, wie hoch die Betriebsspannung der Pumpe wirklich ausfällt.
Bei dem 5V-Ventilator liegen die Dinge ähnlich, aber da er viel weniger Strom verbraucht, ist das da nicht so gravierend.

Da die LEDs reine Verzierung (pardon: Betriebskontrolle) sind, brauchen wir uns an dieser Stelle nicht darum zu kümmern. Am einfachsten schaltet man sie mit einem geeigneten Vorwidersatnd parallel zum jeweiligen Verbraucher. Die von ihnen benötigten 10..20mA machen den Kohl auch nicht fett.

Das Arduino bringt 5V.

Mit dieser Angabe kann ich etwas anfangen. Eigentlich gehörte hier auch noch die Belastbarkeit der Outputs hin, aber ich will mich mal nicht dümmer stellen, als ich bin.

An der unglückliche Wahl von Akku und Pumpe kannst du wahrscheinlich nichts ändern, weil dies die teuersten Teile sein werden.
Bei dem Ventilator aber würde ich ein anderes Modell verwenden. PC-Lüfter sind für den Betrieb an 12V ausgelegt und kosten beim Pollin 1 bis 2 Euro. Z.B.: https://www.pollin.de/p/axialluefter-y- ... 2-v-320452
Alternativ, wenn die Ventilatoren schon vorhanden sind, könnte man zwei gleiche hintereinanderschalten, damit man für den gleichen Strom wenigstens die doppelte Luftmenge bekommt.

Die von dir eingezeichneten Bipolartransistoren würde ich durch MOSFETs ersetzen, da diese im statischen Betrieb keinen Steuerstrom benötigen und dennoch sehr hohe Lastströme schalten können.
Wenn man sie schnell ein- und ausschaltet, kann allerdings ein merklicher Strom zum Umladen der Gatekapazität benötigt werden. Preisgünstige Typen benötigen meist mehr Steuerspannung als sog. Logic-Level-Typen, aber die 5V vom Arduino reichen auf jeden Fall aus. Deshalb fragte ich danach.
Für derartige Basteleien wäre z.B. dieser Typ geeignet: https://www.pollin.de/p/power-mosfet-mtp3055-130938
Es gibt elektrisch und preislich günstigere Typen, allerdings kommen die meistens in SMD-Bauformen und sind für den ungeübten Löter *) schlecht zu handhaben. Z.B.: https://www.pollin.de/p/leistungs-mosfe ... pbf-131103

Wenn man eine induktive Last wie den Pumpenmotor schalten will, benötigt man auch Freilaufdioden, sonst riskiert man den Schalttransistor durch die beim Abschalten entstehende hohe Spannungsspitze zu zerstören.
Da ich daran denke den Pumpentransistor mit schnellen Impulsen (einige kHz) als PWM **) zu betreiben, genügt hier die sonst oft verwendete 1N4004 o.ä. Gleichrichterdiode nicht. Sie ist zu langsam und würde heiß. Hitze aber bedeutet Verluste und die wollen wir ja gerade vermeiden. Sehr gut geignet sind aber Schottky-Dioden wie z.B. diese: https://www.pollin.de/p/schottky-diode-140140
Einen Vorrat an Kleinleistungsdioden, wie z.B. https://www.pollin.de/p/dioden-packung- ... eck-140670 braucht man für verschiedene Zwecke auch immer.
Ich gehe davon aus, dass ihr ein Sortiment von Widerständen und Kondensatoren zur Hand habt, und beim Ausprobieren nicht jeden Wert einzeln einkaufen müsst.






*) Am Löten führt kein Weg vorbei. Widersteht der Versuchung die Schaltung auf einem Steckbrett zusammenzustöpseln!
Diese Wackelkontakte können dir eine endlose Fehlersuche bescheren und u.U. sogar deinen Arduino schrotten.

Dass man jede neu aufgebaute Schaltung vor dem ersten Einschalten gründlichst(!!!) auf etwaige Fehler kontrolliert, versteht sich ja wohl hoffentlich von selbst.

**) Eine PWM-Steuerung des Pumpenmotors kann man auf zweierlei Weise erreichen.
Entweder macht man das hardwaremäßig mit einem billigen CMOS-IC oder dem weltberühmten NE555, oder ihr könnt, -wenn ihr sehr gut Arduino programmieren könnt- solch ein Signal auch softwaremäßig erzeugen.
Letztere Möglichkeit ist auch flexibler, weil man die Pumpe damit auch regeln kann, aber es setzt einige Programmiererfahrung, am besten in Assembler-, voraus.

Eine PWM-Steuerung des Ventilators ist nicht sinnvoll, weil diese Motore anders aufgebaut sind als der Pumpenmotor, bei dem man die Induktivität seiner Wicklungen in einer PWM-Schaltung zur verlustarmen Spannungswandlung benutzen kann.


Hast du dir schon überlegt, wie du die 5V Betriebsspannung für den Arduino machen willst?

[BernhardS]

Die Leds sind einfach Zusatz, weil wir dachten Pumpe und LÜfter sind ewtas wenig und es würde besser aussehen .

Dann lasst die weg. Konzentration auf das Wesentliche. Und genug der Theorie. Fangt mal mit etwas an. Lasst mal den Lüfter vom Arduino ein- und ausschalten.

[Cyr3x]

Danke, wir haben uns dazu entschieden den 12V Lüfter zu kaufen. Die Programmierung vom Arduino ist kein Problem damit kennen wir uns aus. Das wichtige ist für uns im Moment ob wir unsere Schaltung so übernehmen können oder ob etwas geändert werden muss. Die Sicherungen würden wir natürlich noch einbauen und den Widerstand vor dem Lüfter weg machen da dieser bei einem 12V Lüfter nicht mehr von Nöten ist.

[der mit den kurzen Armen]

So dann Google mal nach Step Down Regler und nach Freilaufdiode. Dein µC benötigt 5 V zur Versorgung und die kannst du mit Dem DC-DC Spannungswandler aus den 12V des Akkus gewinnen. Beachte aber es gibt auch Linearregler zb 7805 aber die Verheizen auch nur die Überflüssige Spannung!